鄭 雨，戴文元，王國大，黃燕曉，程關兵

（中國民航大學航空工程學院，天津300300）

0　引言

隨著國家發(fā)展與能源戰(zhàn)略變化，我國能源結(jié)構逐漸形成了以天然氣和液化氣為主、新型能源為輔的體系。但這些可燃氣體在工業(yè)使用過程中存在因泄漏發(fā)生爆炸的危險?？扇夹詺怏w爆炸事故往往是火焰在工業(yè)現(xiàn)場的設備、儀器和工裝等障礙物作用下加速到爆轟的結(jié)果，并伴隨較大的過驅(qū)壓力，這對現(xiàn)場作業(yè)人員和設施有極大的危害。近年來，國內(nèi)外可燃性氣體爆炸事故層出不窮，這類事故在整個工業(yè)事故中占有很大的比重[1]。因此，可燃性氣體爆炸防治已成為工業(yè)安全和社會公共安全保障的重要組成部分。

為了防治可燃性氣體爆炸事故，揭示其火焰?zhèn)鞑ノ锢頇C制，國內(nèi)外諸多學者從實驗和數(shù)值兩方面開展了管道內(nèi)預混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘难芯?。在國外，Masri等[2]和Ibrahim等[3]研究了阻塞比、泄放壓力和障礙物尺寸、形狀對預混火焰燃燒的影響。他們發(fā)現(xiàn)：障礙物阻塞比對火焰形狀、傳播速度和壓力有著重要的影響。Thomas等[3]發(fā)現(xiàn)入射激波和反射激波可有效地增加火焰?zhèn)鞑ニ俣?。Ciccarelli等[4]對管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ノ锢頇C制開展了綜合研究，分析其傳播過程的影響因素和機理，并建立了爆燃轉(zhuǎn)爆轟準則。Dunn-Rankin等[5]從數(shù)值模擬角度分析了郁金香火焰產(chǎn)生的機制。Gamezo等[6]開展了障礙物管道內(nèi)氫氣火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘臄?shù)值模擬研究。他們發(fā)現(xiàn)火焰不穩(wěn)定性、阻塞比和點火能量對對火焰加速傳播的影響。在國內(nèi)，菅從光等[7]從實驗角度分析了湍流對瓦斯火焰和爆炸波的影響。發(fā)現(xiàn)：在障礙物管道內(nèi)，管道面積的突變會產(chǎn)生湍流，增加了下游火焰的湍流度，增加了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，并促進了激波的產(chǎn)生。葉經(jīng)方等[8]研究了楔形障礙物對火焰失穩(wěn)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：火焰在傳播初期、經(jīng)過表面光滑的管道時是層流運動，當火焰穿過障礙物時，湍流度增加，火焰失穩(wěn)。在多種火焰不穩(wěn)定性共同作用，火焰?zhèn)鞑ビ蓪恿鬓D(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳌堉具h等[9]研究了初始條件對預混火焰層流傳播速度的影響。初始溫度較高，火焰燃燒速度增加。初始壓力較高，火焰燃燒速度會減??；當初始壓力較高時火焰不穩(wěn)定性增加。何學超[10]通過實驗研究了點火源位置和組分對預混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，并分析了火焰形狀、傳播速度和壓力等動力特性參?shù)的變化規(guī)律。董剛等[11]對預混火焰在管道內(nèi)的傳播加速過程進行了數(shù)值模擬，分析了火焰和激波的相互作用過程。何學超等[12]利用k-ε湍流模型對管道預混氣體火焰?zhèn)鞑ミ^程進行了模擬，獲得了火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c壓力和火焰鋒面結(jié)構的變化規(guī)律。

由上述文獻可知，實驗管徑、燃料組分和障礙物等對火焰?zhèn)鞑ヌ匦杂绊戄^大，因此論文擬選用標準k-ε湍流模型，運用六步反應機制，并結(jié)合Fluent軟件，開展常溫常壓下障礙物對甲烷火焰?zhèn)鞑ヌ匦杂绊懙难芯?，分析在帶有不同阻塞比障礙物的管道內(nèi)甲烷火焰動力學參數(shù)的變化規(guī)律，揭示火焰?zhèn)鞑ミ^程中的主要物理機制，結(jié)果在甲烷爆炸災害事故預防方面有一定的參考意義。

1　數(shù)值模擬

1.1　基本假設

管道內(nèi)可燃性預混氣體的燃燒和傳播過程，論文做出若干假設：（1）管道氣體內(nèi)為理想氣體；（2）常溫常壓下空氣和甲烷充分混合；（3）混合氣體的狀態(tài)參數(shù)符合混合規(guī)則；（4）燃燒過程為不可逆反應；（5）管道壁面為剛性壁面，不考慮氣體流動與壁面的耦合作用；且管兩端封閉；（6）各組分氣體擴散系數(shù)相同。不考慮熱輻射的影響。

1.2　數(shù)學模型

本文選用計算模型具有軸對稱的特性，可以在軸對稱坐標系下求解，現(xiàn)在得到二維軸對稱計算模型，其控制方程：

式（1）中：

其中，ρi為第i組分密度，μ和v分別為火焰在x方向和r方向的傳播速度，ωi為第i組分的單位體積的質(zhì)量生成率，E為單位體積總能。此外，甲烷與空氣燃燒過程簡化為六步反應模型，計算將采用k-ω模型。

1.3　物理模型

為研究障礙物對火焰加速過程的影響，論文考慮了三種阻塞比（Blockage Ratio，BR）的板形障礙物，阻塞比分別為0.3、0.5和0.7。阻塞比定義為障礙物面積與管道截面面積之比。圖1所示為方形管道和阻塞比BR為0.5的障礙物的二維物理模型。兩端封閉的矩形管道長為500 mm，寬為80 mm.管道中布置有障礙物，其相鄰障礙物間距為80 mm、阻塞比為0.5，厚度為10 mm.壁面以及障礙物邊界條件均為絕熱無滑移的WALL形式。

圖1　管道和障礙物的物理模型

在帶障礙物管道中填入當量比為1的甲烷/空氣混合氣體。未燃氣體各組分的質(zhì)量分數(shù)分別為甲烷0.055，氧氣0.22和氮氣0.725.混合氣初始溫度為300 K，初始壓力為101.325 kPa.管道左壁面中心位置處點火。

2　結(jié)果分析與討論

2.1　BR=0.5障礙物對火焰加速的影響分析

圖2為甲烷火焰?zhèn)鞑ミ^程中的溫度計算云圖，圖3為火焰?zhèn)鞑ニ俣妊毓艿垒S向方向的變化規(guī)律，圖4為火焰?zhèn)鞑サ竭_位置和時刻。

圖2　溫度云圖

圖3　火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓?/p>

圖4　火焰到達位置和時刻

由圖2～圖4可知：混氣體在點火后，火焰開始在管道內(nèi)傳播。起初火焰形態(tài)為球形，隨著球形火焰半徑增加，燃燒產(chǎn)物不斷膨脹，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?。在火焰鋒面到達左側(cè)管道壁面后，火焰逐漸演變?yōu)榘肭蛐位鹧?，并向管道上下壁面和下游方向傳播，如圖2（a）所示。由于受到管道壁面影響，甲烷逐漸由半球形演變?yōu)橹感?，如圖2（b）所示?；鹧驿h面前未燃氣體在燃燒產(chǎn)物膨脹作用，在未燃氣體中產(chǎn)生弱的壓縮波。同時，在障礙物前滯留部分混合氣，因此，火焰在管道壁面、障礙物壁面反射的壓縮波作用下，火焰前端變得越來越尖，如圖2（c）所示。由于火焰表面積在其傳播過程中不斷增加，且其傳播流通通道變?yōu)槭湛s型，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增大，如圖2（d）所示。在t=5.0 ms時，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s為60 m/s.隨后，在障礙物上表面因流動形成的剪切層影響下，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M一步增加，其傳播速度約為82 m/s，如圖2（e）所示。

火焰在繞過第1個障礙物時，其傳播通道變擴張型，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷杂薪档停鹧姹砻娣e增加幅度更大，因此火焰?zhèn)鞑ニ俣日w趨勢是增加的。但在第1個和第2個障礙物中部附近，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u下降，其大小約為51 m/s.隨后當火焰逐漸靠近第2個障礙物，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M一步下降，這主要由于第2個障礙物、管道下壁面反射壓縮波以及收縮型的流通通道等因素共同作用的結(jié)果。如圖5所示，在火焰繞過第2個障礙物時，火焰在其表面積增加和流通通道變化的作用下，火焰速度達到了72 m/s.對比圖2（e）、圖2（f）和圖3，可發(fā)現(xiàn)火焰在隨后障礙物傳播過程中速度變化呈振蕩變化趨勢，在障礙物附近時火焰速度增加，而在相鄰障礙物間時其傳播速度是下降的。

2.2　不同阻塞比障礙物對火焰加速的影響分析

論文采用了三種不同阻塞比的障礙物用于加速火焰的傳播。圖5表示阻塞比（BR=0.3、0.5和0.7）對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，圖6表示在三種不同阻塞比的板形障礙物作用下火焰到達位置和時刻圖。

圖5　阻塞比對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊?/p>

圖6　阻塞比對火焰到達位置和時刻的影響

由圖5和圖6可知：在障礙物作用下，火焰在初始階段的傳播速度增大，在火焰流經(jīng)障礙物時火焰速度呈振蕩變化。在障礙物附近時火焰速度進一步增加，但在相鄰障礙物間其大小減小，但其加速能力略有不同。由圖5和圖6可知，障礙物阻塞比越大，火焰整體加速能力也越高，火焰加速時間和距離也越短。這主要由于障礙物阻塞比越大，火焰表面積增加幅度也越大，火焰拉伸變形程度也越高，由管道右壁面反射的壓縮波對火焰阻止能力越小，因此火焰?zhèn)鞑ニ俣纫苍酱蟆?/p>

3　結(jié)束語

（1）在火焰?zhèn)鞑コ跏茧A段，火焰?zhèn)鞑ニ俣葐握{(diào)增加，主要由于火焰表面積增加的原因。

（2）火焰在流經(jīng)障礙物時，火焰形態(tài)會發(fā)生較大變化，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸收袷幾兓?。在障礙物附近時火焰?zhèn)鞑ピ黾?，在障礙物間其大小下降。這主要是火焰表面積變化、流體通道變化以及壁面發(fā)射壓縮波共同作用的結(jié)果。

（3）阻塞比越高，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱?，火焰加速能力也越強，但整體變化趨勢相同。這主要由于火焰形態(tài)變化和管道壁面反射的壓縮波作用的結(jié)果。

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